Ứng dụng công nghệ scan 3d vào quản lý và kiểm tra chất lượng sản phẩm

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SCAN 3D VÀO QUẢN LÝ VÀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM Th.S HOÀNG ĐỨC BẰNG; KS HỒ SỸ SƠN Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Quản lý chất lượng đã trở thành một bộ phận quan trọng trong quy trình sản xuất ngày nay. Việc đảm bảo sản phẩm sản xuất đúng như ý tưởng của người thiết kế và đạt được các kích thước theo yêu cầu kỹ thuật là một thách thức của cả quy trình sản xuất. Các kỹ thuật đo truyền thống đã được nhiều công ty áp dụng để kiểm tra hình dạng và kích thước của sản phẩm. Các kỹ thuật này thuận lợi khi đo các kích thước hình học cụ thể còn để đo các bề mặt phức tạp, cong ba chiều hoặc khi phải đo nhiều thông số thì rất mất thời gian và chi phí. Abstract: Quality control has become a key component in today’s manufacturing process. The ability to provide the “As Designed” geometry to meet the designers’ intent and achieve the engineering dimensional requirement to deliver the intended fit and functionality is an ongoing challenge during the manufacturing process. In an effort to verify product form, fit and function, the majority of companies are applying traditional measurement techniques. These techniques have proven to be successful on prismatic types of geometries but very costly and time consuming for contoured surfaces, heavily featured geometry and product assemblies. Quản lý chất lượng đã trở thành một bộ phận quan trọng trong quy trình sản xuất ngày nay. Việc đảm bảo sản phẩm sản xuất đúng như ý tưởng của người thiết kế và đạt được các kích thước theo yêu cầu kỹ thuật là một thách thức của cả quy trình sản xuất. Các kỹ thuật đo truyền thống đã được nhiều công ty áp dụng để kiểm tra hình dạng và kích thước của sản phẩm. Các kỹ thuật này thuận lợi khi đo các kích thước hình học cụ thể còn để đo các bề mặt phức tạp, cong ba chiều hoặc khi phải đo nhiều thông số thì rất mất thời gian và chi phí. Scan 3D quang học dựa trên nguyên lý vân sáng đã tạo ra một giải pháp ứng dụng trong quản lý và kiểm tra chất lượng sản phẩm đạt độ chính xác cao và hiệu quả về giá thành. Giải pháp này có thể đo được nhiều kích thước khác nhau trong thời gian ngắn, tự động đưa ra các báo cáo hữu ích nhằm đảm bảo chất lượng và tối ưu quá trình sản xuất. Ngày nay, có rất nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau ứng dụng công nghệ scan 3D vào kiểm tra và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Có rất nhiều lý do để các công ty này chọn công nghệ scan 3D thay cho các kỹ thuật kiểm tra truyền thống: o Có khả năng scan toàn bộ bề mặt với mật độ điểm rất lớn o Dữ liệu scan được so sánh trực tiếp với dữ liệu CAD thiết kế hoặc các điểm kiểm tra o Độ lệch so với dữ liệu CAD được xác định trực tiếp từ dữ liệu scan o Các bề mặt của chi tiết khó đo đạc bằng kỹ thuật truyền thống đều scan dễ dàng và có thể dự đoán được trước khi bắt đầu đo bằng công nghệ scan 3D o Các báo cáo kiểm tra thể hiện dưới nhiều hình thức khác nhau thay vì chỉ một kiểu như máy đo CMM truyền thống. o Không mất thời gian để thiết lập toạ độ vật đo o Hệ thống scan có thể di chuyển, lắp ráp, vận hành ở những điều kiện thông thường mà không yêu cầu các thiết bị hỗ trợ đắt tiền. Máy scan 3D cung cấp dữ liệu scan có độ chính xác cao, làm cơ sở cho các quá trình phân tích, kiểm tra. Quy trình chung áp dụng hệ thống scan 3D vào quản lý và kiểm tra chất lượng sản phẩm gồm có 3 bước: Bước 1: scan dữ liệu bề mặt, dựng lại bề mặt thành dám mây điểm hoặc lưới tam giác. Trong bước này, các đặc trưng bề mặt như góc, cạnh, lỗ ... đều được thể hiện qua đám mây điểm hoặc lưới tam giác. Bước 2: nhập dữ liệu CAD thiết kế và ghép chồng lên dữ liệu scan. Tại bước này, người kiểm tra có thể sử dụng các phương pháp ghép chồng dữ liệu khác nhau (RPS, Best-fit, 3-2-1) Bước 3: so sánh dữ liệu scan (chi tiết chế tạo) và dữ liệu CAD (chi tiết thiết kế). Độ lệch giữa 2 hệ dữ liệu được thể hiện dưới dạng màu cho phép quan sát tổng thể độ chính xác của chi tiết chế tạo so với thiết kế. Người kiểm tra có thể so sánh thêm các kích thước cần kiểm tra, độ lệch cụ thể tại các điểm bất kỳ. Phần mềm cũng cho phép kiểm tra các kích thước độ dài, kích thước góc, các tính chất hình học, độ day chi tiết, dung sai và sai số hình học. Tất cả các thông tin thực hiện trong bước này có thể xuất ra báo cáo kiểm tra. Hình 1. ba bước kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng công nghệ scan 3D Giải pháp kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng công nghệ scan 3D không chỉ đưa ra kết luận là sản phẩm đạt hay không đạt mà còn đưa ra nhiều thông tin phân tích khác về sản phẩm giúp điều chỉnh quá trình sản xuất. Phạm vi ứng dụng Máy scan 3D quang học là thiết bị di động có khả năng scan được nhiều bề mặt khác nhau. Người sử dụng dễ dàng thay đổi thể tích đo để tăng độ phân giải của dữ liệu scan hoặc tăng khả năng đo của hệ thống. Nhờ tính linh hoạt này, máy có thể scan được những sản phẩm nhỏ như các chi tiết khuôn mẫu hay sản phẩm lớn như tổng thể một chiếc máy bay. Một trong những dòng máy scan 3D quang học được sử dụng phổ biến là máy ATOS của hãng GOM (Đức). Các sản phẩm nhỏ Khi đo các sản phẩm nhỏ hoặc sản phẩm có nhiều chi tiết phức tạp thường sử dụng máy ATOS SO. Với thiết bị này, dữ liệu scan có độ phân giải rất cao cho phép đo chính xác kể cả chi tiết rất nhỏ. Hình 2 minh hoạ hệ thống ATOS SO kiểm tra kích thước vỏ điện thoại Hình 2. Ứng dụng hệ thống ATOS SO vào kiểm tra các chi tiết nhỏ Các sản phẩm lớn Khi đo các sản phẩm lớn, ATOS được đặt trên giá đỡ di động hoặc gắn trên tay rô bốt để dễ dàng di chuyển trong toàn bộ không gian đo. Hình 3 minh hoạ hệ thống ATOS kiểm tra cánh tua bin gió có chiều dài lên đến 20m. Hình 3. Ứng dụng hệ thống ATOS vào kiểm tra các chi tiết lớn Cũng như các thiết bị đo khác, độ chính xác của thiết bị đo là yêu tố quan trọng nhất. Bảng 1 trình bày độ chính xác và khoảng cách giữa 2 điểm đo của máy scan quang học cho các ứng dụng khác nhau. Bảng 1. Độ chính xác và khoảng cách giữa 2 điểm đo của máy scan quang học Sản phẩm Độ chính xác Khoảng cách giữa 2 điểm scan Sản phẩm nhỏ ± 0,01mm 0,05mm Tấm kim loại ( 0,5m) ± 0,03mm 0,1mm Khung vỏ ô tô ± 0,15mm 0,05mm Sản phẩm lớn ( 20m) ± 0,6mm 0,05mm Nguyên lý scan Máy scan 3D ATOS dựa trên nguyên lý đạc tam giác minh hoạ như hình 4. Projector phát ra vân sáng trắng đen chiếu lên sản phẩm cần scan. Hai camera gắn trên đầu scan sẽ thu vân sáng phản xạ. Phần mềm nhận dữ liệu này và tính toán dựa trên các công thức quang học để dựng lại bề mặt 3D của sản phẩm. Các camera hiện đại nhất của GOM có thể scan 4 triệu điểm trong một lần chụp chỉ trong vài giây. Hình 4. Nguyên lý scan 3D quang học Để có thể số hoá được toàn bộ bề mặt sản phẩm cần scan một vài lần riêng biệt ở các góc độ khác nhau. Hệ thống ATOS sẽ tự động ghép nối các phần scan riêng biệt dựa vào các điểm tham chiếu gắn trên sản phẩm hoặc xung quanh sản phẩm và dựng lại bề mặt sản phẩm dưới dạng lưới tam giác. Hình 5 minh hoạ các dạng dữ liệu khác nhau của sản phẩm scan Hình 5. Các dạng dữ liệu scan 3D Ghép chồng dữ liệu Sau khi kết thúc quá trình scan, phần mềm sẽ ghép chồng dữ liệu CAD và dữ liệu scan lên nhau. Thông thường dữ liệu CAD sẽ làm chuẩn để ghép chồng dữ liệu scan lên theo các phương pháp khác nhau: Phương pháp 3-2-1 Để ghép chồng dữ liệu theo phương pháp 3-2-1 cần định nghĩa 6 toạ độ ( 3 toạ độ định nghĩa mặt phẳng Z, 2 toạ độ định nghĩa trục Y và 1 toạ độ định nghĩa trục X). Người sử dụng cần nhập 6 toạ độ này trên dữ liệu CAD và vùng tìm kiếm 6 toạ độ tương ứng trên dữ liệu scan. Sau đó phần mềm sẽ tìm kiểm và ghép chồng dữ liệu scan lên dữ liệu CAD. Hình 6 minh hoạ phương pháp ghép chồng 3-2-1. Hình 6. Phương pháp ghép chồng 3-2-1 Phương pháp RPS Phương pháp RPS (Reference Point System) là phương pháp ghép chồng dựa trên các đặc điểm hình học (lỗ tròn, mặt cầu, mặt nón ) của sản phẩm. Hình 7 minh hoạ phương pháp ghép chồng RPS. Điểm tham chiếu RPS1 định nghĩa 3 toạ độ. Tiếp đến điểm RPS2 xác định hướng của trục Y và các điểm RPS3, RPS4 và RPS5 sẽ xác định hướng trục Z. Phương pháp RPS thường được sử dụng nhiều trong công nghiệp ô tô Hình 7. Phương pháp ghép chồng RPS Phương pháp Best-Fit Phương pháp Best-Fit là phương pháp ghép chồng dữ liệu bằng cách chọn 1 phần hoặc toàn bộ dữ liệu scan sản phẩm. Phần mềm sẽ tự động tính toán để độ lệch giữa dữ liệu scan được chọn và dữ liệu CAD tương ứng là nhỏ nhất. Hình 8 minh hoạ phương pháp ghép chồng Best-Fit Hình 8. Phương pháp ghép chồng Best-Fit Đánh giá chất lượng sản phẩm Đánh giá độ lệch trung bình Sau khi scan và ghép chồng dữ liệu quá trình kiểm tra bắt đầu được tiến hành. Thông thường bước kiểm tra đầu tiên là đánh giá độ lệch trung bình của bề mặt sản phẩm. Dựa vào hệ trục toạ độ chung của cả hai dữ liệu CAD và scan, phần mềm sẽ tự động tính toán độ lệch theo các trục toạ độ và độ lệch trung bình của tất cả các điểm scan trên bề mặt sản phẩm. Kết quả biểu diễn dưới dạng biểu màu cho phép đánh giá tổng thể sai lệch bề mặt sản phẩm. Biểu màu có thể là dải màu liên tục hoặc các khối màu thể hiện các vùng sai số khác nhau của sản phẩm. Ngoài ra phần mềm có tính năng xác định độ lệch chính xác tại bất kì điểm nào trên toàn bề mặt và biểu diễn dưới dạng giá trị số. Hình 9 minh hoạ sự biểu diễn sai số bề mặt dưới dạng dải màu liên tục và khối màu. Hình 9. Biểu diễn sai số bề mặt dưới dạng dải màu liên tục và khối màu Đánh giá từng mặt cắt Khả năng khác của phần mềm là có thể tính toán độ lệch theo từng mặt cắt. Hình 10 minh hoạ kiểm tra sai lệch tại một mặt cắt 2D của chi tiết nắp xi lanh. Hình 10. Kiểm tra sai lệch tại một mặt cắt 2D Đánh giá các yếu tố hình học Để đánh giá các yếu tố hình học, đầu tiên chọn các yếu tố cần đánh giá như đường tròn, hình trụ, hình nón trên dữ liệu CAD. Phần mềm sẽ tự động xây dựng các yếu tố hình học tương ứng trên dữ liệu scan và đánh giá độ lệch. Hình 11 minh hoạ kiểm tra yếu tố hình học của phần mềm. Hình 11. Kiểm tra yếu tố hình học Đánh giá góc và khoảng cách Với phần mềm ATOS, các kích thước góc và độ dài có thể đo trực tiếp từ dữ liệu scan hoặc so sánh với dữ liệu CAD để tính toán sai số. Hình 12 minh hoạ kết quả đo góc và độ dài chi tiết nắp vòi tắm hoa sen Hình 12. Đo góc và độ dài Đo dung sai và sai số hình học Phần mềm ATOS còn có khả năng kiểm tra dung sai và sai số hình học. Hình 13 minh hoạ khả năng kiểm tra dung sai của phần mềm Hình 13. Kiểm tra dung sai Kết luận Từ cách đây hơn 10 năm, công nghiệp ô tô là động lực để GOM nghiệp cứu ứng dụng công nghệ scan 3D quang học vào kiểm tra chất lượng chế tạo các chi tiết dập. Dựa trên nền tảng kinh nghiệm đó, hãng đã tiếp tục nghiên cứu ứng dụng sang nhiều lĩnh vực khác nhau như: khuôn mẫu, hàng không và tua bin, đồ tiêu dùng, tạo mẫu nhanh, thiết kế ngược Đến nay, hệ thống ATOS thực sự đã trở thành hệ thống số hoá có chất lượng dữ liệu scan rất cao, tốc độ scan nhanh, có khả năng di động, rất linh hoạt và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.